Aufreinigungsprozesse in der Biopharmaindustrie

Aus zwei mach eins

In der Prozess-Chromatographie für die Biopharmaindustrie gelten strenge Regeln – die Anforderungen an Präzision, Sorgfalt und Reproduzierbarkeit hinsichtlich dieser Prozesse sind hoch. Um die für das jeweilige Verfahren notwendige Konzentration des verwendeten Fluids zu erhalten, wird die Puffer-Inline-Verdünnung immer üblicher. Lewa hat eine reinraumtaugliche, für den Einsatz in GMP-Umgebungen geeignete Anlage konzipiert, die Chromatographie-Prozess und Puffer-inline-Verdünnung vereint. 

Bild 1: Durch das EcoPrime-Chromatographiesystem lassen sich Prozesse mit höchster Präzision reproduzieren. Die Bauweise der Anlage entspricht allen üblichen industriellen Anforderungen und sorgt dafür, dass das System auf spezifizierten Reinraumflächen Platz findet. (Bild: Lewa)

In vielen kritischen Produktionsanlagen sind das Dosieren und das Mischen von Flüssigkeiten von zentraler Bedeutung - so auch in der Chromatographie. Das Chromatographie-Anlage EcoPrime-LPLC-System von Lewa kombiniert die Chromatographie mit der Pufferverdünnung. Während des Prozesses werden dem System konzentrierte Puffer in der exakt auf die einzelnen Chromatographie-Prozessschritte abgestimmten Verdünnung zugeführt. Der Konzentrationswert dieser Puffer kann das Fünf- oder Zehnfache (oder mehr) des erforderlichen Werts betragen.

Der Ablauf: Während zwei Pumpen Puffer einspeisen, fördert die dritte Pumpe eine Verdünnungslösung – speziell aufbereitetes Wasser oder WFI – die dem System zugeführt wird, bis die erwünschte Fluidkonzentration erreicht ist. Anschließend können die Puffer für den Chromatographie-Prozess eingesetzt werden. Der gesamte Vorgang lässt sich innerhalb einer einzigen Anlage durchführen. Die bei herkömmlichen Systemen notwendigen Lagerflächen für niedrig konzentrierte Puffer in Großtanks werden somit überflüssig.

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„Beim Einsatz von Puffern für die Chromatographie ist darauf zu achten, dass die Konzentrate nicht ausfallen, ehe sie verdünnt werden“, so Joachim Regel, Sales Manager Bioprocess Systems Europe von Lewa. Man müsse die Löslichkeit eines jeden Puffers genau bestimmen, ehe er im System zur Anwendung gelangt, so Regel weiter. Auch müssten die Auswirkungen der jeweiligen Pufferkonzentrationen auf die Werkstoffe genau berücksichtigt werden.

Bild 2: Ansicht der Gradienten-Parameter mit Verdünnungsmethode nach festem Prozentsatz mit 90 % Kanal C (Verdünnungslösung) und Prozentsätzen des Gradienten-Puffers (Puffer B) einer dreistufigen Gradientenelution. (Bild: Lewa)

Lewa hat das gesamte System mit medienberührenden Werkstoffen konzipiert, die strengste regulatorische Anforderungen erfüllen. Durch die integrierte Pufferinline-Verdünnung können auch kleinere Flüssigkeitsvolumen verarbeitet werden. Die Pufferkonzentrate können somit auch in (kostensparende) Einmalbeutel abgefüllt werden. Werden Einmalbeutel verwendet, müssen die Schläuche zwischen Pufferbeutel und Eco-Prime-System jedoch ausreichend dimensioniert sein. Bei sehr geringem oder sehr hohem Volumenstrom können zu kleine Schläuche an Beuteln die Pumpleistung – beispielsweise durch Pumpenkavitation – verringern.

Damit der Anwender während des gesamten Lebenszyklus der Anlage eine optimale Leistung erzielt, stellt das Unternehmen bewährte Rezepturen für fein abgestufte Parameter zur Verfügung. 

Kombination von Servoantrieb und Dosierpumpe
EcoPrime integriert zwei Funktionen in einem System. Auch mögliche Mängel der Sonden (etwa für die Leitfähigkeit und/oder den pH-Wert), die das endgültige Mischungsverhältnis der Puffer steuern, werden berücksichtigt. Beispielsweise neigen pH-Sonden nach einiger Zeit zu Abweichungen, was schlechtere Messergebnisse oder eine ständige Nachkalibrierung durch speziell geschulte Anlagenführer (mit entsprechenden Ausfallzeiten) nach sich ziehen kann. Sonden können zudem nur indirekt über die Qualität einer Mischung Auskunft geben, da sie die chemische Zusammensetzung der gemischten Komponenten nicht direkt ermitteln. Durch den Abstand zwischen den Pumpen und den Sonden kann sich die Rückmeldung an die Pumpensteuerung verzögern. Je nachdem, wo die als Inline-Regelinstrumente eingesetzten Messsonden hinter den Pumpen platziert werden, sind Verzögerungen bei der Anzeige möglich, die zu Pufferverlusten (oder zu nicht konformen Puffern) führen können.

Durch Ecodos-Dosierpumpen, kombiniert mit digitalen Antrieben, können Anwender höchst zuverlässige volumetrische Mischungen erzielen. Verglichen mit Inline-Sonden liefert die Ecodos-Pumpe nachweislich exaktere und reproduzierbarere Ergebnisse. Die Dosiergenauigkeit lässt sich durch den Einsatz von Digitalantrieben (Servoantriebe) zusätzlich erhöhen. Lewa hat eine solche Kombination von Servoantrieb und Dosierpumpe in Chromatographie-Systemen patentieren lassen. Mit volumetrisch gesteuerten Systemen zur Puffer-inline-Verdünnung (etwa mit dem EcoPrime-System) erzielt der Anwender eine präzise und reproduzierbare Dosierung der Pufferkomponenten – ohne Nachkalibrierung und/ oder verzögerte Rückmeldungen. 

Software zur Konfiguration der Puffer-inline-Verdünnung
In der EcoPrime-LPLC-Software ist der Prozessschritt der Puffer-inline-Verdünnung bereits konfiguriert. Damit Anwender die für ihre Produktion am besten geeigneten Verfahren auswählen können, hat Lewa unterschiedliche Methoden entwickelt: Mit einer speziellen Software kann z.B. ein fixer Prozentsatz hinsichtlich der Gesamtfördermenge festgelegt werden. Außerdem kann der Puffer-Konzentrationsfaktor für die Regelung der Zuführ- und Zielkonzentrationsfaktoren der gewünschten endgültigen Fluidkonzentration ermittelt werden. So kann dasselbe Konzentrat in verschiedenen Prozessschritten mit verschiedenen Konzentrationen verwendet werden – je nach Softwarekonfiguration.

„Bei der isokratischen Elution beispielsweise werden zwei Puffer für die Verdünnung (1:10) eingesetzt, wobei die Gesamtfördermenge 5,0 l/min beträgt“, erläutert Regel. „Neunzig Prozent dieser Gesamtfördermenge werden von der Pumpe zur Verdünnung der beiden Puffer gefördert – die Konfiguration der Prozentsätze der Konzentratpuffer muss dem Rest der Gesamtfördermenge entsprechen, also zehn Prozent, beziehungsweise 0,5l/min“, so Regel weiter.

Ein ähnliches Verfahren wird bei der Gradientenelution durchgeführt: Bei der Puffer-inline-Verdünnung werden zwei Puffer (etwa eine Verdünnung 1:10) für eine dreistufige Gradientenelution verdünnt. Dabei handelt es sich um ein lineares Segment mit zwei nachfolgenden isokratischen Stufen. Die Gesamtfördermenge beträgt auch hier 5,0 l/min.

Optimale Leistung dank kombinierter Technologien
Die in den Anlagen verbauten Pumpen mit Servoantrieb arbeiten präzise und erlauben eine hohe Reproduzierbarkeit der eingestellten Parameter. Die Kombination „Variation der Drehzahl“ mit „Teilhubmodus“ bietet einen Stellbereich von 1:150 oder mehr. Während herkömmliche Technik dazu Frequenzumrichter und eine elektrische Hubverstellung mit separaten Leistungs- sowie Datenanschlüssen benötigen, genügt beim Intellidrive-Antrieb ein Anschluss.

Die Gestaltung der Leitungen hinter den Pumpen kann die Mischung verbessern und Ausfallzeiten minimieren – zwei kritische Aspekte für eine gute Chromatographie-Leistung. Aufgrund der guten Förderleistung werden Inline-pH- oder Leitfähigkeitssonden bei den hier vorgestellten Anlagen obsolet. Das erspart eventuelle Abweichungen sowie Zeit, da das Kalibrieren entfällt. Damit verbundene, unnötige Prozessvariablen können minimiert werden.

Das EcoPrime-System ist reinraumtauglich und wurde für den Einsatz in GMP-Prozessumgebungen entwickelt.

Fazit
Das Unternehmen Lewa hat ein Konzept entwickelt, das viele verschiedene Funktionen in einer einzigen Anlage kombiniert. Die hier vorgestellte Anlage mit konzentrierten Puffern vereinfacht das Handling in der Produktion. Außerdem können Kosten bei Lagerung und Transport eingespart werden.

Zusätzlich zur Puffer-inline-Verdünnung kann der Anwender mit der Anlage eine isokratische oder lineare Gradientenelution fahren. Diese Funktionalität ermöglicht flexiblere Prozesse, eine höhere Qualität und erfordert einen geringeren Platzbedarf. Der mechatronische Antrieb Intellidrive sorgt für einen großen und gleichzeitig präzisen Stellbereich der Pumpen.

Joachim Regel

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